Figura 1
A) Representação estrutural do estado nativo da proteína Ubiquitina. A informação sobre a estrutura é obtida pelo PDB (
Protein Data Bank,
www.rcsb.org) com o código de identificação 1UBQ
[5][5] S. Vijay-Kumar, C. E. Bugg e W. J. Cook, J. Mol. Biol.194, 531 (1987).. As letras N e C indicam as terminações da proteína com início no N-terminal e final no C-terminal. As cores indicam os diferentes tipos de estruturas secundárias. Em laranja é representada a estrutura de hélice
, em verde a estrutura de folhas
, em azul as voltas ou
loops e em cinza claro as regiões sem estruturas definidas, ditas como aleatórias ou
random coil. B) Representação da estrutura primária da proteína Ubiquitina. As cores e as figuras geométricas indicam a representação unidimensional das estruturas secundárias. As diferentes letras indicam os diferentes tipos de resíduos de aminoácidos que compõem essa proteína.
Figura 2
A) Ilustração do funil de estruturas do processo de enovelamento de uma proteína ao longo da coordenada de reação que é a fração de contatos nativos (). B) Representação do perfil de energia livre em função da coordenada de reação . São destacados os estados desenovelado () e nativo () e a barreira de energia no estado de transição () existente entre e . A curva foi obtida por meio da simulação computacional do modelo para a proteína CI2 (Chymotrypsin Inhibitor 2) com o código PDB 1YPA [44][44] Y. Harpaz, N. Elmasry, A. R. Fersht e K. Henrick, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 311 (1994).. A obtenção de é descrita com mais detalhes na seção de modelos baseados em estrutura em [45][45] V. G. Contessoto, Estudo do efeito da adição de frustração no enovelamento de proteínas utilizando modelos baseados em estruturas. Dissertação de Mestrado, Universidade Estadual Paulista, São Paulo (2012).). A figura A) é adaptada de [18[18] J. N. Onuchic, Z. Luthey-Schulten e P. G. Wolynes, Annual Review of Physical Chemistry 48, 545 (1997)., 30[30] J. D. Bryngelson, J. N. Onuchic, N. D. Socci e P. G. Wolynes, Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 21, 167 (1995).].
Figura 3
A) Superfície de energia com topografia afunilada. A área do funil da seção horizontal representa a entropia configuracional que está relacionada ao número de configurações para cada nível do funil. O eixo vertical representa a energia total associada ao funil de energia e também a uma coordenada de reação que organiza em cada nível o grau de similaridade com o estado nativo (). A construção desta superfície é feita a partir de modelos computacionais e traz informações sobre o enovelamento da proteína P13, código PDB 1QTU. B) Diagrama de níveis de energia para os diferentes estados de uma proteína ao longo de seu enovelamento. Em destaque está o estado nativo com energia mínima afastada dos demais estados não enovelados. Em A) e B), representa a flutuação energética ao longo da superfície e representa o intervalo energético entre a média do estado desordenado e o estado nativo. Figura adaptada de [21][21] J. Wang, R. J. Oliveira, X. Chu, P. C. Whitford, J. Chahine, W. Han, E. Wang, J. N. Onuchic e V. B. P. Leite, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 15763 (2012)..
Figura 4
Representação de uma proteína para diferentes abordagens computacionais para o estudo do enovelamento empregando modelos simplificados. A) Modelo de rede cúbica com as cores podendo representar dois tipos de resíduos: em vermelho, os resíduos polares e em azul, os resíduos hidrofóbicos. B) Modelo baseado na estrutura da proteína representado somente com os carbonos alfa (C). C) Modelo baseado na estrutura com todos-os-átomos pesados (sem hidrogênios). A complexidade e o tempo computacional aumentam de A) para C) conforme aumentam os detalhes de cada modelo.
Figura 5
A) Diagrama de energia para o modelo de rede. é a energia de interação entre dois monômeros iguais e é a energia de interação entre dois monômeros diferentes. B) Três tipos de movimentos possíveis mais utilizados em simulações do modelo de rede cúbica. Na esquerda, é apresentado o movimento de final de cadeia, o movimento de canto no centro, e na direita, o movimento de manivela. C) Modelo de rede cúbica com 27 monômeros. Cada cor representa um monômero diferente, é uma configuração inicial gerada aleatoriamente, e que representa o heteropolímero no estado desenovelado, e é a configuração no estado nativo com os 28 contatos formados. Figura adaptada de [68][68] N. D. Socci e J. N. Onuchic, Journal of Chemical Physics 101, 23 (1994)..
Figura 6
Análise termodinâmica obtida por simulações do modelo de rede para os regimes de alta e baixa hidrofobicidade, em azul e vermelho, respectivamente. A) Calor específico em função da temperatura em unidade reduzidas da simulação. O pico do valor do calor específico corresponde ao valor da temperatura de enovelamento (). B) Em linhas contínuas é apresentada a energia total do heteropolímero em função dos contatos nativos. A energia total tem seu valor mínimo para o estado nativo da proteína que corresponde ao maior valor de contatos nativos formados. Em linhas tracejadas é apresentado o negativo do produto entre a temperatura e a entropia do sistema, que chega a zero no estado nativo devido ao único estado enovelado, cubo com 28 contatos nativos formados. C) Fração de proteína enovelada em função da temperatura. O valor de 0,5 de fração enovelada corresponde ao estado de transição e ao valor da temperatura de transição , coincidindo com o valor encontrado pelo pico do calor específico. D) Perfil de energia livre em função dos contatos nativos. O parâmetro destaca a barreira de energia livre entre o estado desenovelado e o estado de transição da proteína modelo.
Figura 7
Tempos de enovelamento obtidos por simulações do modelo de rede para os regimes de alta e baixa hidrofobicidade, em azul e vermelho, respectivamente. O valor do tempo de enovelamento no modelo de rede é a média da quantidade de passos de Monte Carlo que o heteropolímero leva para formar os 28 contatos nativos, iniciando a simulação numa configuração aleatória desenovelada. São realizadas 1000 simulações para cada temperatura.
Figura 8
Parâmetros termodinâmicos obtidos por simulações do modelo C para a proteína cold shock (código PDB 1G6P) [92][92] W. Kremer, B. Schuler, S. Harrieder, M. Geyer, W. Gronwald, C. Welker, R. Jaenicke e H. R. Kalbitzer, European Journal of Biochemistry 268, 2527 (2001).. A) Calor específico em função da temperatura em unidades reduzidas da simulação normalizada pela temperatura de enovelamento (). B) A linha em preto representa a energia total da proteína modelo () em função dos contatos nativos (). A energia total tem seu valor mínimo para o estado nativo da proteína que corresponde ao maior valor de contatos nativos formados. A linha vermelha representa o produto entre a temperatura e a entropia () do sistema em função de . As curvas foram obtidas por simulações em . C) A linha em preto representa a fração de proteína enovelada () em função da temperatura. O valor de 0,5 de fração enovelada corresponde ao estado de transição e ao valor da temperatura de transição, coincidindo com o valor encontrado pelo pico do calor específico em A). A linha em azul representa o valor da energia livre em função da temperatura. D) Perfil de energia livre em função dos contatos nativos (). O parâmetro destaca a barreira de energia livre entre o estado desenovelado e o estado de transição da proteína. A curva em preto apresenta um perfil de energia livre em uma temperatura abaixo da temperatura de enovelamento da proteína , privilegiando o estado nativo e tornando-o mais estável. A curva vermelha apresenta o perfil obtido na temperatura de enovelamento . Neste caso, os estados desenovelado e nativo possuem a mesma estabilidade e são acessados com mesma probabilidade. Em azul é apresentado o perfil de para uma temperatura maior que a temperatura de enovelamento da proteína . Nesse caso, o estado nativo é menos estável e o estado desenovelado é acessado mais vezes. As grandezas teóricas obtidas estão diretamente relacionadas com resultados experimentais em estudos de enovelamento e estabilidade de proteínas [43[43] R. J. Oliveira, P. C. Whitford, J. Chahine, V. B. P. Leite e J. Wang, Methods 52, 91 (2010)., 82[82] R. J. Oliveira, P. C. Whitford, J. Chahine, J. Wang, J. N. Onuchic e V. B. P. Leite, Biophysical Journal 99, 600 (2010).].
Figura 9
Tempos de enovelamento obtidos por simulações do modelo C para as proteínas cold shock (TmCSP) e chymotrypsin inhibitor 2 (CI2), em azul e vermelho, respectivamente. O valor do tempo de enovelamento é determinado por uma média de números de passos de dinâmica molecular que uma proteína desenovelada leva para atingir o estado nativo pela primeira vez. As médias são calculadas com 1000 simulações para cada temperatura.
Figura 5
A) Diagrama de energia para o modelo de rede. é a energia de interação entre dois monômeros iguais e é a energia de interação entre dois monômeros diferentes. B) Três tipos de movimentos possíveis mais utilizados em simulações do modelo de rede cúbica. Na esquerda, é apresentado o movimento de final de cadeia, o movimento de canto no centro, e na direita, o movimento de manivela. C) Modelo de rede cúbica com 27 monômeros. Cada cor representa um monômero diferente, é uma configuração inicial gerada aleatoriamente, e que representa o heteropolímero no estado desenovelado, e é a configuração no estado nativo com os 28 contatos formados. Figura adaptada de [68][68] N. D. Socci e J. N. Onuchic, Journal of Chemical Physics 101, 23 (1994)..
Figura 6
Análise termodinâmica obtida por simulações do modelo de rede para os regimes de alta e baixa hidrofobicidade, em azul e vermelho, respectivamente. A) Calor específico em função da temperatura em unidade reduzidas da simulação. O pico do valor do calor específico corresponde ao valor da temperatura de enovelamento (). B) Em linhas contínuas é apresentada a energia total do heteropolímero em função dos contatos nativos. A energia total tem seu valor mínimo para o estado nativo da proteína que corresponde ao maior valor de contatos nativos formados. Em linhas tracejadas é apresentado o negativo do produto entre a temperatura e a entropia do sistema, que chega a zero no estado nativo devido ao único estado enovelado, cubo com 28 contatos nativos formados. C) Fração de proteína enovelada em função da temperatura. O valor de 0,5 de fração enovelada corresponde ao estado de transição e ao valor da temperatura de transição , coincidindo com o valor encontrado pelo pico do calor específico. D) Perfil de energia livre em função dos contatos nativos. O parâmetro destaca a barreira de energia livre entre o estado desenovelado e o estado de transição da proteína modelo.
Figura 7
Tempos de enovelamento obtidos por simulações do modelo de rede para os regimes de alta e baixa hidrofobicidade, em azul e vermelho, respectivamente. O valor do tempo de enovelamento no modelo de rede é a média da quantidade de passos de Monte Carlo que o heteropolímero leva para formar os 28 contatos nativos, iniciando a simulação numa configuração aleatória desenovelada. São realizadas 1000 simulações para cada temperatura.
Figura 8
Parâmetros termodinâmicos obtidos por simulações do modelo C para a proteína cold shock (código PDB 1G6P) [92][92] W. Kremer, B. Schuler, S. Harrieder, M. Geyer, W. Gronwald, C. Welker, R. Jaenicke e H. R. Kalbitzer, European Journal of Biochemistry 268, 2527 (2001).. A) Calor específico em função da temperatura em unidades reduzidas da simulação normalizada pela temperatura de enovelamento (). B) A linha em preto representa a energia total da proteína modelo () em função dos contatos nativos (). A energia total tem seu valor mínimo para o estado nativo da proteína que corresponde ao maior valor de contatos nativos formados. A linha vermelha representa o produto entre a temperatura e a entropia () do sistema em função de . As curvas foram obtidas por simulações em . C) A linha em preto representa a fração de proteína enovelada () em função da temperatura. O valor de 0,5 de fração enovelada corresponde ao estado de transição e ao valor da temperatura de transição, coincidindo com o valor encontrado pelo pico do calor específico em A). A linha em azul representa o valor da energia livre em função da temperatura. D) Perfil de energia livre em função dos contatos nativos (). O parâmetro destaca a barreira de energia livre entre o estado desenovelado e o estado de transição da proteína. A curva em preto apresenta um perfil de energia livre em uma temperatura abaixo da temperatura de enovelamento da proteína , privilegiando o estado nativo e tornando-o mais estável. A curva vermelha apresenta o perfil obtido na temperatura de enovelamento . Neste caso, os estados desenovelado e nativo possuem a mesma estabilidade e são acessados com mesma probabilidade. Em azul é apresentado o perfil de para uma temperatura maior que a temperatura de enovelamento da proteína . Nesse caso, o estado nativo é menos estável e o estado desenovelado é acessado mais vezes. As grandezas teóricas obtidas estão diretamente relacionadas com resultados experimentais em estudos de enovelamento e estabilidade de proteínas [43[43] R. J. Oliveira, P. C. Whitford, J. Chahine, V. B. P. Leite e J. Wang, Methods 52, 91 (2010)., 82[82] R. J. Oliveira, P. C. Whitford, J. Chahine, J. Wang, J. N. Onuchic e V. B. P. Leite, Biophysical Journal 99, 600 (2010).].
Figura 9
Tempos de enovelamento obtidos por simulações do modelo C para as proteínas cold shock (TmCSP) e chymotrypsin inhibitor 2 (CI2), em azul e vermelho, respectivamente. O valor do tempo de enovelamento é determinado por uma média de números de passos de dinâmica molecular que uma proteína desenovelada leva para atingir o estado nativo pela primeira vez. As médias são calculadas com 1000 simulações para cada temperatura.
Figura 10
Análise dos valores- para o caso de uma proteína que enovela via mecanismo de dois estados mapeado por uma simples coordenada de reação. Uma mutação num resíduo de aminoácido pode mudar a estabilidade do estado de transição quando comparado com o estado desenovelado () e a estabilidade do estado enovelado nativo quando comparado com o estado desenovelado (). A razão entre essas duas quantidades (), determina o valor- da fração da diferença de energia da proteína do tipo selvagem com relação a proteína mutante.
Figura 11
Valores- para os casos em que, após a mutação de um resíduo de aminoácido, A) os estados desenovelado e de transição são similares (), e B) os estados de transição e nativo são diferentes ().
